ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Βασικές Αρχές των Μεταμορφικών Αντιδράσεων Fe Mg γρανάτης βιοτίτης Ομάδα Α x Ομάδα Β Ομάδα Α: Bt σε επαφή με την περιφέρεια του Grt Ομάδα Β: Bt έγκλεισμα στο Grt Για να υπάρχει ισορροπία μεταξύ Bt+Grt πρέπει η σύστασή τους να είναι ομοιόμορφη σε όλο το πέτρωμα. Η κάθε ομάδα παρουσιάζει τοπική ισορροπία, εφόσον οι γραμμές σύνδεσης δεν διασταυρώνονται, μ’ εξαίρεση το ζευγάρι x που δεν βρίσκεται σε συνθήκες ισορροπίας.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Βασικές Αρχές των Μεταμορφικών Αντιδράσεων Αν θα φτάσει ένα σύστημα σε ισορροπία εξαρτάται από τις συνθήκες που ελέγχουν την κινητική των αντιδράσεων (η ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης είναι μηδενική όταν ένα πέτρωμα ψύχεται). Η κινητική των αντιδράσεων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την παρουσία ή απουσία νερού. Υδατικά ρευστά συμπεριφέρονται σαν διαλύτες, σαν μέσα που διευκολύνουν τις ορυκτολογικές αντιδράσεις. Π.χ. ένας κυανιτικός σχιστόλιθος μπορεί να βρεθεί σε συνθήκες P-T στις οποίες είναι σταθερός ο ανδαλουσίτης. Αν υπάρχει ελεύθερη υδατική φάση στους πόρους του πετρώματος ή γύρω από τα όρια των ορυκτών τότε ο κυανίτης θ’ αντικατασταθεί από ανδαλουσίτη. Σ’ αντίθετη περίπτωση, απουσία υδατικής φάσης, ο ανδαλουσίτης δεν θα σχηματιστεί.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Βασικές Αρχές των Μεταμορφικών Αντιδράσεων Σε υψηλού βαθμού μεταμορφωμένα πετρώματα, όπως οι γρανουλίτες, βρίσκουμε συχνά στοιχεία δομικής και χημικής ανισορροπίας. Τα πετρώματα αυτά χάνουν τα ένυδρα ορυκτά και τα υδατικά διαλύματα που περιέχουν καθώς αυξάνει ο βαθμός μεταμόρφωσης. Αποτέλεσμα, να παρουσιάζουν μικροδομές όπως περιφέρειες αντίδρασης, συμπλεκτίτες, μερική αντικατάσταση, διάβρωση και διάλυση προϋπαρχόντων ορυκτών. Αν και οι θερμοκρασίες μεταμόρφωσης των γρανουλιτών είναι υψηλές (700-900οC), αυτές οι μικροδομές δηλώνουν ότι η μεταφορά χημικών στοιχείων δεν ολοκληρώθηκε λόγω της έλλειψης ή απουσίας H2O από το σύστημα.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Βασικές Αρχές των Μεταμορφικών Αντιδράσεων Κατά τη διάρκεια σύγκρουσης λιθοσφαιρικών πλακών τμήματα του μανδύα (σερπεντινίτες, χαρτζβουργίτες, λερζόλιθοι) ενσωματώνονται στο φλοιό. Ο Fo στους μανδυακούς φακούς και ο Qtz στα πετρώματα του φλοιού αντιπροσωπεύουν ένα ζευγάρι που δεν βρίσκεται σε ισορροπία. Η μεταφορά χημικών στοιχείων ανάμεσα στους δύο τύπους πετρωμάτων έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός κελύφους αντίδρασης γύρω από το μανδυακό φακό, το οποίο αποτελείται από ζώνες πλούσιες σε τάλκη και βιοτίτη ή αμφίβολο. Η διαδικασία αυτή είναι στην πραγματικότητα μια μετασωμάτωση επαφής. Οι αντιδράσεις θα συνεχιστούν μέχρι να καταναλωθούν τα ασυμβίβαστα ορυκτά ή η υδατική ρευστή φάση.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταβολές Θερμοκρασίας και Πίεσης στο φλοιό και στο μανδύα Οι κύριες αιτίες της μεταμόρφωσης είναι οι μεταβολές της θερμοκρασίας και της πίεσης που προκαλούνται από κάποια δύναμη που επιδρά στα πετρώματα. Οποιαδήποτε δύναμη επιδρά σ’ ένα πέτρωμα προκαλεί ροή ή μεταφορά μιας ιδιότητας προς τέτοια κατεύθυνση, ώστε να μειωθεί το μέγεθος της δύναμης που ασκείται. Με άλλα λόγια, όταν η ενέργεια του συστήματος μεταβληθεί, τότε στο πέτρωμα θα γίνουν εκείνες οι τροποποιήσεις που θα μειώσουν την ενέργεια που δέχτηκε, ώστε το σύστημα να επανέλθει σε κατάσταση ισορροπίας. Στη συνέχεια θα συζητηθούν η μεταφορά θερμότητας, οι αλλαγές της πίεσης και η χημική μεταφορά στοιχείων στο φλοιό και στο μανδύα.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Ροή Θερμότητας και Γεώθερμες Ο νόμος του Fourier δηλώνει ότι θερμότητα μεταφέρεται από μια περιοχή με υψηλή θερμοκρασία σε μια περιοχή με χαμηλή θερμοκρασία. Η γη αποτελείται από ένα θερμό πυρήνα και ένα ψυχρό φλοιό. Η επιφάνεια της γης έχει μια σταθερή θερμοκρασία περίπου 10οC ενώ στο όριο πυρήνα-μανδύα η θερμοκρασία πιθανόν να είναι σταθερή εφόσον η ρευστή κατάσταση του εξωτερικού πυρήνα δεν επιτρέπει την ταχεία μεταφορά θερμότητας. Η ολική ροή θερμότητας στην επιφάνεια της γης αποτελείται από: ροή θερμότητας από το εσωτερικό της γης όπως εκφράζεται από το νόμο του Fourier ροή θερμότητας από το μανδύα μέσω ρευμάτων μεταφοράς μεταφορά θερμότητας που παράγεται από τη διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Ροή Θερμότητας και Γεώθερμες Η ροή θερμότητας σ’ ένα στοιχειώδες όγκο του φλοιού διακρίνεται στις παρακάτω 3 περιπτώσεις: Η ροή θερμότητας προς συγκεκριμένο όγκο φλοιού να είσαι ίση με τη θερμότητα που διαφεύγει απ’ αυτόν. Σ’ αυτή την περίπτωση η θερμοκρασία παραμένει σταθερή και είναι ανεξάρτητη του χρόνου (γεώθερμη σταθερής κατάστασης = steady-state geotherm) Η ροή θερμότητας σε συγκεκριμένο όγκο φλοιού να είναι μεγαλύτερη από τη θερμότητα που διαφεύγει απ’ αυτόν. Η περίσσεια θερμότητας θα καταναλωθεί κατά 2 τρόπους: ν’ αυξήσει τη θερμοκρασία του συγκεκριμένου όγκου να προκαλέσει ενδοθερμικές χημικές αντιδράσεις στα πετρώματα

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Διεργασίες Η ροή θερμότητας σε συγκεκριμένο όγκο φλοιού να είναι μικρότερη από τη θερμότητα που διαφεύγει απ’ αυτόν. Σ’ αυτή την περίπτωση η απώλεια θερμότητας οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας (ψύξη του πετρώματος). Εξώθερμες αντιδράσεις μπορούν να συμβούν στο πέτρωμα μέχρι κάποιο σημείο και εξαιτίας αυτών των αντιδράσεων να εμποδίζεται η ψύξη του πετρώματος Τέλος, είναι δυνατόν διαφορετική ροή θερμότητας στην επιφάνεια να έχει σαν αποτέλεσμα πετρώματα σε ίδια βάθη στο φλοιό και στον ανώτερο μανδύα να έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες. Σ’ αυτή την περίπτωση μπορεί να έχουμε πλευρική μεταφορά θερμότητας μεταξύ διαφορετικών όγκων πετρωμάτων.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταβατικές Γεώθερμες Θερμοκρασιακές μεταβολές στο φλοιό και στο μανδύα προκαλούνται από την προσθήκη ή αφαίρεση θερμότητας προς και από ένα όγκο πετρώματος. Τέτοιες αλλαγές σε μεγάλη κλίμακα έχουμε λόγω των κινήσεων των λιθοσφαιρικών πλακών σε σχέση με τα ρεύματα μεταφοράς του μανδύα. Η σύγκρουση λιθοσφαιρικών πλακών, η υποβύθιση μιας ωκεάνιας πλάκας κάτω από ηπειρωτική, οι επωθήσεις και οι εφιππεύσεις είναι μερικά παραδείγματα ανακατανομής πετρωμάτων. Μεγάλη ποσότητα θερμότητας μεταφέρεται με ρευστά, όπως είναι τα μαγματικά σώματα. Η άνοδος μαγμάτων διαταράσσει θερμικά μια περιοχή του φλοιού και το θερμοκρασιακό του πεδίο. Επίσης τεκτονικά γεγονότα διαταράσσουν τη γεώθερμη σταθερής κατάστασης. Στη διάρκεια ενεργούς τεκτονικής ο φλοιός χαρακτηρίζεται από μια συγκεκριμένη γεώθερμη που σχετίζει τη θερμοκρασία με το βάθος και η οποία μεταβάλλεται με το χρόνο. Αυτές οι μεταβατικές γεώθερμες δίνουν τη σχέση θερμοκρασίας-βάθους σε δεδομένο χρόνο και για συγκεκριμένη περιοχή.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Θερμοκρασιακές μεταβολές και Μεταμορφικές αντιδράσεις Αν ένας όγκος πετρώματος δεχτεί θερμότητα περισσότερη από αυτή που απαιτείται για να διατηρήσει τη γεώθερμη σταθερής κατάστασης, τότε το πέτρωμα θα υποστεί πρόδρομη μεταμόρφωση. Η θερμική χωρητικότητα του πετρώματος θα καθορίσει πόσο θα αυξηθεί η θερμοκρασία σε σχέση με τη θερμότητα που προσφέρθηκε. Για να καταναλωθεί η περίσσεια θερμότητας και να μειωθεί η ολική ελεύθερη ενέργεια του πετρώματος θα συμβούν ενδόθερμες αντιδράσεις μεταξύ των ορυκτών ή/και αντιδράσεις αφυδάτωσης. Προσθήκη θερμότητας σ’ ένα σύστημα προκαλεί αύξηση θερμοκρασίας μέχρι να φτάσουμε στις συνθήκες πραγματοποίησης μιας αντίδρασης. Τότε η επιπλέον θερμότητα θα καταναλωθεί για την πραγματοποίηση της αντίδρασης και η θερμοκρασία του συστήματος θα παραμένει σταθερή, μέχρι να καταναλωθεί κάποιο από τα αντιδρώντα ορυκτά. Από κει και μετά η θερμοκρασία θα συνεχίσει να αυξάνει.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Θερμοκρασιακές μεταβολές και Μεταμορφικές αντιδράσεις Αν ένας όγκος πετρώματος δεχτεί λιγότερη θερμότητα από αυτή που απαιτείται για να διατηρήσει τη γεώθερμη σταθερής κατάστασης, τότε το πέτρωμα θα υποστεί ανάδρομη μεταμόρφωση και το πέτρωμα θα ψυχθεί. Κατά τη διάρκεια της ψύξης του το πέτρωμα θα μεταβάλει την ορυκτολογική του σύσταση για να μειωθεί η ολική ελεύθερη ενέργειά του. Στην περίπτωση αυτή θα έχουμε την πραγματοποίηση μιας εξώθερμης αντίδρασης. Η θερμοκρασία του συστήματος θα παραμείνει σταθερή κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, μέχρι να καταναλωθεί κάποιο από τα αντιδρώντα ορυκτά. Από κει και μετά η θερμοκρασία θα συνεχίσει να μειώνεται.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταβολές της πίεσης Η πίεση στο φλοιό και στο μανδύα χαρακτηρίζεται από ισοβαρικές επιφάνειες παράλληλες περίπου με την επιφάνεια της γης. Η πίεση σε μια δεδομένη περιοχή προκύπτει από το βάρος των υπερκείμενων πετρωμάτων και ονομάζεται λιθοστατική πίεση. Αυτή η πίεση είναι συνήθως ισοτροπική. Ανισότροπη πίεση (stress) μπορεί να προκύψει από τεκτονικές δυνάμεις και από αλλαγή όγκου ενός πετρώματος εξαιτίας θερμοκρασιακών αλλαγών. Η πίεση αυτή είναι υπεύθυνη για τις δομικές αλλαγές και για τη μεταφορά και ανακατανομή των χημικών στοιχείων των μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Η δημιουργία φολίδωσης και μεταμορφικής στρωμάτωσης οφείλεται σε ανισότροπη πίεση.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταβολές της πίεσης Η λιθοστατική πίεση που εφαρμόζεται σ’ ένα όγκο πετρωμάτων μεταβάλλεται όταν μεταβάλλεται και το βάθος του πετρώματος. Ιζηματογενή πετρώματα που έχουν αποτεθεί μέσα σε μια λεκάνη υπόκεινται σε αλλαγές του βάθους και επομένως και της πίεσης, καθώς καινούρια ιζήματα αποτίθενται πάνω στα προηγούμενα. Αν η βύθιση των ιζημάτων γίνει αργά, τότε είναι δυνατόν τα ιζήματα να ακολουθούν μια γεώθερμη σταθερής κατάστασης. Η μεταμόρφωση αυτή χαρακτηρίζεται ως θαπτική. Η συνεχής βύθιση της λεκάνης μπορεί να οφείλεται και σε τεκτονικά αίτια όπως η λέπτυνση της λιθόσφαιρας ή ο εφελκυσμός του φλοιού.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Αέρια και Ρευστά Τα ιζηματογενή πετρώματα περιέχουν μεγάλο ποσοστό ένυδρων ορυκτών. Μάλιστα πετρώματα που αποτίθενται σε θαλάσσια περιβάλλοντα έχουν, κάτω από συνθήκες ισορροπίας, ορυκτολογική σύσταση που αντιστοιχεί σε μία μέγιστη ένυδρη κατάσταση. Αν κατά τη διάρκεια της μεταμόρφωσης έχουμε προσθήκη θερμότητας στα ένυδρα ορυκτά τότε θα έχουμε αντιδράσεις της μορφής: ένυδρη παραγένεση λιγότερο ένυδρη ή άνυδρη παραγένεση + Η2Ο Αυτή η αντίδραση περιγράφει τις διαδικασίες αφυδάτωσης που συμβαίνουν στη διάρκεια της πρόδρομης μεταμόρφωσης όπου σημαντικό ρόλο παίζει η απελευθέρωση του H2O. Το νερό στα μεταμορφικά συστήματα και σε θερμοκρασίες πάνω από 374οC αναφέρεται ως ρευστή φάση.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Αέρια και Ρευστά Τα ρευστά που παίρνουν μέρος στις μεταμορφικές διαδικασίες περιέχουν κυρίως Η2Ο. Το Η2Ο αυτό μπορεί να προέρχεται: από το αρχικό ιζηματογενές πέτρωμα από αφυδάτωση αρχικά ένυδρων ορυκτών από μετεωρικό νερό από κρυσταλλούμενα μάγματα Στον κατώτερο φλοιό και σε τμήματα του φλοιού που περιέχουν ανθρακικά πετρώματα, εκτός από το Η2Ο σημαντικό συστατικό της ρευστής φάσης αποτελεί και το CO2. Τα υδατικά ρευστά μπορούν να περιέχουν ακόμα διαλυμένα άλατα (NaCl) και άλλα διαλυμένα συστατικά (σύμπλοκα πυριτίου).

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Αέρια και Ρευστά Το ρευστό που παράγεται κατά τη διάρκεια της πρόδρομης μεταμόρφωσης μεταφέρεται μέσω πόρων που είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους μακριά από το σημείο που δημιουργήθηκε και τελικά εκτός του συστήματος. Αν ο ρυθμός παραγωγής H2O είναι μεγαλύτερος από το ρυθμό μεταφοράς του, τότε η πίεση που ασκείται στους πόρους θα αυξηθεί τοπικά. Επειδή η πίεση σταδιακά γίνεται μεγαλύτερη από τη μηχανική δύναμη του πετρώματος, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να σπάσει το ορυκτό ή το πέτρωμα. Αυτή η υδραυλική θραύση δημιουργεί τους δρόμους για τη διαφυγή του ρευστού από το σύστημα. Ρευστά μπορούν να παραμείνουν στο σύστημα είτε εγκλωβισμένα σε απομονωμένους πόρους είτε μέσα σε ορυκτά ως ρευστά εγκλείσματα.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Χρονική κλίμακα και Μεταμόρφωση Με βάση τη διαφορά ροής θερμότητας που παρατηρείται στην επιφάνεια μπορεί να υπολογιστεί η διαφορά θερμότητας ροής στο φλοιό που μπορεί να προκαλέσει μεταμόρφωση. Έτσι, έχει βρεθεί ότι απαιτούνται 8 εκατομμύρια χρόνια για να μεταμορφωθεί ένας πηλόλιθος πάχους 10 km. Τέτοιοι χονδρικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι ο χρόνος που απαιτείται για μεταμορφικές διαδικασίες περιοχικής κλίμακας είναι της τάξης των 10-15 εκετομμυρίων ετών. Παρόμοια συμπεράσματα έχουν διεξαχθεί και από ραδιοχρονολογήσεις.